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[科技前沿] 正经说个硬的:原子钟

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  • TA的每日心情
    慵懒
    2023-12-6 00:54
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    楼主
     楼主| 发表于 2020-7-22 21:00:00 | 只看该作者 回帖奖励 |倒序浏览 |阅读模式
    本帖最后由 七月群山 于 2020-7-22 21:06 编辑
    ( y/ I: [" ]6 E: O
    5 a* k2 C' {0 I. [前不久收官的北斗-3(BDS-3)定位星座,用了一项顶牛逼的硬核科技:氢原子钟。* B' v; h; y% x5 u

    # f! z9 \. M7 C# R" N氢原子钟是通俗说法。正经说,北斗-3用的是一台叫“被动型惰性氢分子激射器”的时频仪器,简称PHM。
    9 t4 R. L" O! K5 p! R* G+ O% o$ K. Y) Z; o9 r+ e% Z* y& a
    个头、模样大致如此,二十六公斤。+ [8 ~) c% w! x& o- _

    # }; S; Y5 i2 H2 c# a氢原子钟,Hydrogen MASER(Microwave/Molecular Amplification by Stimulated Emission of Radiation),分两种:主动有源型(active)和被动无源型(passive)。主动型当然好了,是目前已知精度最高的,就是呢个头太大了些,要求的温度条件和材料也相当苛刻,在地面站没问题,上卫星就不现实了;被动型,就是现在北斗3系用的,精度大概好像可能是差一个0,但是比目前美国GPS的铷钟,还是精确了两个到三个0,也就是一百到一千倍,稳定性也更高,耗电量随之也增加了,大致好像是五十瓦的级别,用在卫星上还不是负担。# f7 Y3 M  t4 ]6 V# |) M
    / {  L7 P- b! ?' N
    当然,北斗3系是氢铷钟复合的双保险,这也是新卫星的主流——在卫星方面,目前,中国自己,还真就是主流,平均两星期发一颗,没别人了。+ P. A8 F  t3 k1 J4 ~2 h
    - X" F( H$ ^; C) f8 I, n4 h
    定位星座,美国“老大”,大不大另说,老肯定是够老的;俄罗斯、欧盟也都使用氢钟技术的,但和中国比嘛,理论上是没有代差啦,而且俄版自称抗干扰(此话怎讲?)方面有优势,但他总共就24+3颗的实力,可靠性也明显比我差;欧盟的伽利略,用的法国欧赫利亚(orolia)公司的产品,虽说重量上有优势(18公斤),耗电更低,但毕竟是民用级别的,精度被咱碾压不说,最要命好像是,还没射过?
    0 r# {, y: C4 |* Z) v# m7 [  b" }0 }
    还有一个印度,印度挺牛的。有一个航天科技世界排名的网站,把印度排在美中欧俄日之后;印度科学家不乐意了,说,如果把人口和总投资之类的因素加进去,印度实际是世界第一的——反正印度人的算数最棒,总能把印度算成世界第一,连韩棒都比不过印棒。背着手撒尿不服不行。
    ( F( l, M7 s. D. j! |1 I/ t1 ?7 T8 b2 d% T1 F
    也许有人知道,在中国的北斗2系之后,大概是2013~2016,印度发射了7颗卫星的区域定位系统,叫navic。中国的几家手机为了抢印度市场,还想抬举抬举这个navic来着,不过印度至今也没搞出来相关的芯片,就更别提软件了。那这个navic干嘛用的?或者说有没有任何应用?这是印度之谜!5 b: R: C' B5 P8 u* V
    0 y' M* {3 Z, P0 x& Z  q* c
    不开玩笑,印度那威客的实际情况是,成网的第二年,一号星停摆了;然后补发一颗,失败了,到2018年再补发,按说是成功了,但其它几颗的可靠性明显的不行了。* ]+ D' F, \! h% Q0 S: e  r, e6 M

    ' ^: |# }( u+ }, n# V% a9 I3 [4 e9 j啥停摆了?原子钟啊!当年,2013年,印度虽说自己造不出原子钟,可它买的也是世界顶级的法国频谱计时spectratime公司的铷钟,虽说是民用级别的,毕竟是伽利略系统的供应商,(就是orola的前身,orola目前也是华为的供应商),,,不管怎样,反正,在原子钟方面,印度目前是,空白。当然就更不存在军用级别的定位系统了。没有卫星技术的支撑,其它的,比如导弹啦,无人机啦,,,等等,都必须仰人鼻息,“大国”悲哀莫过于此。0 N! H2 k2 M6 `) K
    & }5 S5 u4 A- ?( S2 U9 C5 ?2 k
    说些个大家可能百度不到的。
    ( F( Z5 z, J9 x/ ?- {" m1 L8 w' W+ F
      I' u: `' c; u===前方高能===4 M: ?% S6 A9 [3 k! {" _

    0 W% n/ W  T3 `6 H, e+ D  z原子钟的重要性,中国科学家早就明白,但是啊,新中国那叫一个一穷二白,看着hp——没错,就现在笔记本的hp,在咱炮打司令部之前,1964年,hp就造出了便携式原子钟,眼馋啊,哈喇子流一尺那种。
    & ]0 I$ W0 K: }& Z( l6 [& b: \
    % T8 [0 b" m% ?8 ^# [9 R那年,从字面意义讲,“时间”是掌握在美国的国家标准局手里的,懂吗,它可以是上帝,或者阎罗王。
    4 w2 Q; \& y5 {4 t2 `6 X9 y( K2 w# W. J9 [+ y! A

    : s/ Z7 v" Y- }8 c9 f) B; K惠普当年的铯钟,吊打全世界。
    , b  r+ R: \  E$ T0 c# B! R1 s8 P. [$ I$ S, z$ B( l( l! h  L
    1964年的我们,面上菜色未消,胸中“铯”心又起。裤腰带紧了两扣,就制定了第一个铯束原子钟的十年大计。不到五年,达成第一阶段小目标,我们算是做到了原子钟的入门级。然后点点悲剧,,,等到“文革”消停了几天,“余毒”还没肃清呢,英明领袖还是华主席呢,胡耀邦还没开始“敲边鼓”呢,,,已经有“臭老九”开始蠢蠢欲动,甚至扬言,要把失去的“时间”夺回来!6 p3 ~6 k8 Y% O: b' s

    * J* [5 J% x4 M& V7 f) p那是一帮时频的工程师。不对,他们那时还没有职称呢,都叫“技术员”,每月37元的工资,因为加夜班食堂会补一份肥肉很多的夜宵炸酱面而令他们欢欣鼓舞。但是我知道至少曾经有一个这样的美食之夜里,有三个蹲实验室的“技术员”并不开心,因为仪器故障他们当中必须有一个人去找无线电的小余来帮忙,而小余的娇妻是三线蹲放射性的,两三个月才回家度一下蜜月。谁大半夜的去敲人家小夫妻的门,那年月,挨大嘴巴。。。结果是小烨去的,也没挨大嘴巴。小余不到一个小时就修好了机器,完事也没客气,把大半罐子的肉炸酱都拿走了,因为他第二天倒休陪老婆,不打算出门。
    ( Y( ^2 I3 N$ Y7 T7 i& w+ w6 c4 N  Y- o  s4 ~) R0 [
    时频,无线电,放射性,说的都啥?“时间”的原理或许你懂,可要把它固定在机器里,再以难以置信的精确度同时拿出来,是奇迹。1 X0 d7 |7 A! W' s) k

    % j- \3 P: X8 f8 W+ ?' g1981年,时频的技术员们第一次“真正”做到了,精度达到十的负十三次方,追上了世界水平。“时间”从此攥在了我们手里,而且我们再也没撒过手。2 A0 Q) d3 ~+ Q

    0 |* K8 F8 r$ q! Q! m1986年,十的负十四次方。
    * R0 G6 e0 H/ R/ L, |5 f1 i2 T2 e5 X
    2003年,十的负十五次方。' J. g( H# o$ `' A; {9 G

    ( |' l& l8 B# a3 u8 Z1 p2017年,十的负十六次方。
    # t  n2 ~- \" V' G. T
    6 |) N/ a# g0 q- O2 {! i这些还都是我们100%可以做到的“标准”水平,敞开了让你看,你花钱就给你做机器,绝不藏着掖着。4 o& N: I' c0 K9 A' `. Y$ n
    * y. ^. i3 \1 m* d1 s# ?
    。。。2 R$ w2 X6 @6 ?; N9 p- A- L

    . w$ l* S* S+ B% F- a
    2 D% l% P  F/ E今天,再去问时频“小烨”,他可能只记得当年价值九十元的真空管爆炸时的撕心裂肺;而放射性的罗阿姨,总会抱怨几句山洞里的实验室,害她犯关节炎;无线电的小余呢,对食堂何师傅的肉渣酱一直念念不忘。4 u5 b' S5 r; z0 u6 g( E
    0 B  M) f, T+ m

    # U! O7 W+ a' {" e( V
    + y: J$ _, H! B; G( e+ C+ p

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  • TA的每日心情
    开心
    21 小时前
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    [LV.Master]无

    沙发
    发表于 2020-7-22 21:54:56 | 只看该作者
    国内第一台铯钟在1965年就完成了,领头人是王义遒 十年后铷钟也成功了。  h4 x3 L7 X$ o6 u& q2 ^" n: V; x- b3 _
    真正的难点在于原子钟的小型化,这个是真的努力了好多年了。早七八年前2G往3G转的时候很多老旧基站都要拆除,所以市面上流了很多基站上带下来的铯钟,曾经有发烧友用这玩意代替高端恒温晶振来做采样与解码标准时钟。

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      发表于 2020-7-27 02:47

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  • TA的每日心情
    慵懒
    21 小时前
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    [LV.Master]无

    板凳
    发表于 2020-7-22 21:55:25 | 只看该作者
    北斗系统据说让科学院上海小卫星当了一把鲶鱼,分了部分星座给科学院,导致五院大为紧张,双方竞争加剧而促进北斗代际加快。

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      发表于 2020-8-8 16:40
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      发表于 2020-7-24 00:11
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      发表于 2020-7-23 14:27
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      发表于 2020-7-23 08:39

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  • TA的每日心情
    开心
    2019-4-29 10:01
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    [LV.8]合体

    地板
    发表于 2020-7-23 07:53:34 | 只看该作者
    电视台的3.58MHz色度副载波和授时台同步,可以代替铯钟。
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  • TA的每日心情
    开心
    2025-3-13 15:17
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    [LV.9]渡劫

    5#
    发表于 2020-7-23 08:17:06 | 只看该作者
    看了这么一点不过瘾,有没有这方面的科普书可以推荐一下,谢谢
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  • TA的每日心情
    开心
    6 天前
  • 签到天数: 617 天

    [LV.9]渡劫

    6#
    发表于 2020-7-23 08:47:43 | 只看该作者
    本帖最后由 忧郁金桥 于 2020-7-23 08:49 编辑 # F8 Q) q( |( r
    3 o! Z, b) K, t( M# |* y* k' E
    群山兄的文字,总是让人觉得朴实和亲切(大爱车旅系列);
    8 x6 s2 `/ y1 ^看到最后很感动“香菇”,为自己是中国人感到自豪。* `2 N6 ~0 T; k# @
    谢谢,“车旅系列”还能有第2季吗?
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  • TA的每日心情
    慵懒
    21 小时前
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    [LV.Master]无

    7#
    发表于 2020-7-23 10:41:50 | 只看该作者
    每月37元的工资 ------ 中专起步工资
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  • TA的每日心情
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    2019-12-31 23:10
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    [LV.1]炼气

    8#
    发表于 2020-7-23 18:45:06 | 只看该作者
    安捷伦的铯钟,现在还是只能让人望尘莫及的水平,据说现在都禁运了
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    21 小时前
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    [LV.Master]无

    9#
    发表于 2020-7-23 22:56:13 | 只看该作者
    radioradio 发表于 2020-7-23 18:45+ z! J+ g- ^# I: J; ^% U
    安捷伦的铯钟,现在还是只能让人望尘莫及的水平,据说现在都禁运了
    ! r: |5 Z! X! [  Z' c1 n1 R! s# A! o
    原子钟精度排名是铯-铷-氢 安捷伦之前并不涉及这块业务,后来收购此类公司才具备这个行业准去资格的。
    $ w1 C# O0 V2 N" _4 {' P1 @" t$ O他家的铯钟在基站上很常见。

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    2019-12-31 23:10
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    [LV.1]炼气

    10#
    发表于 2020-7-25 13:35:00 | 只看该作者
    红茶冰 发表于 2020-7-23 22:567 q, u8 `& V$ E) Y2 g- W- `
    原子钟精度排名是铯-铷-氢 安捷伦之前并不涉及这块业务,后来收购此类公司才具备这个行业准去资格的。' W, C" ~9 y. |( X- I* k8 _+ a+ k  a1 c
    他 ...
    & \9 M8 u6 [: j4 Q) b
    短稳是氢钟最好,长稳是铯钟最好6 w* Z7 J- U2 ~- z- U% j; [( }
    5071A好像这两年不好买了
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    21 小时前
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    11#
    发表于 2020-7-25 22:56:14 | 只看该作者
    radioradio 发表于 2020-7-25 13:35% [, ~! m8 h! R8 L
    短稳是氢钟最好,长稳是铯钟最好  N1 O" p8 F5 x+ s0 T! L8 g- }" y
    5071A好像这两年不好买了
    ' L) L4 D6 U! u5 [" k0 ~4 E
    这个短稳长稳有出处嘛?
    $ a8 ~# p6 l1 ~% v( S% C# O0 E铯铷两种原子钟国内目前的厂家是天奥。恰恰就是这个国产鲶鱼让进口货的价格腰斩一半~~
    * U/ L5 g) F- D. Q! E4 F3 h" B8 r所以 安捷伦到底是美国禁运呢还是自个玩不下去了还得俩说

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      发表于 2020-7-26 06:29
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    2019-12-31 23:10
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    [LV.1]炼气

    12#
    发表于 2020-7-26 12:48:09 | 只看该作者
    红茶冰 发表于 2020-7-25 22:56
    ! X0 g4 t) ?% W0 v这个短稳长稳有出处嘛?: q: U0 S7 n' c
    铯铷两种原子钟国内目前的厂家是天奥。恰恰就是这个国产鲶鱼让进口货的价格腰斩 ...
    $ c" B1 S: _/ ^# q9 T& _

    2 ~% L4 U) j, c: e3 A( Q7 X6 t
    6 k+ E" k6 q) |6 i没找到合适的文献,偷懒找到一个 stackexchange 上的图
    2 M/ X5 o6 N% T4 d& o' u" \0 Y5 U这个图把意思表达出来了,在天的量级上,氢钟的稳定性好,随着时间拉长,氢钟的稳定性(阿伦方差)就开始往上翘了,而高性能铯钟的阿伦方差则保持减小的趋势。

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      发表于 2020-8-8 16:41
    油墨: 5 油菜: 5
      发表于 2020-7-27 04:48
    给力: 5
      发表于 2020-7-27 03:03
    油菜: 5 涨姿势: 5
    学渣表示看不懂,但不妨碍表示佩服 :)  发表于 2020-7-26 21:12

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  • TA的每日心情
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    21 小时前
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    [LV.Master]无

    13#
    发表于 2020-7-27 03:01:53 | 只看该作者
    红茶冰 发表于 2020-7-23 22:56; q) ?& O( J1 e
    原子钟精度排名是铯-铷-氢 安捷伦之前并不涉及这块业务,后来收购此类公司才具备这个行业准去资格的。! a( v- v) l6 H# m" {
    他 ...
    ; u. ]. H7 V7 A- c
    安捷伦是惠普分出来的,原来的惠普电子测试和测量部

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      发表于 2020-7-30 11:41
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    开心
    21 小时前
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    14#
    发表于 2020-7-27 03:35:13 | 只看该作者
    radioradio 发表于 2020-7-26 12:482 F" H( L0 G& r& S
    没找到合适的文献,偷懒找到一个 stackexchange 上的图: B* F: p9 U5 u) d* M2 y
    这个图把意思表达出来了,在天的量级上,氢钟的 ...

      l6 i8 o8 j2 @9 s2 ^; s, N# p你说的这个是冷原子喷泉钟吧?传统的铯基原子钟稳定性是不如铷和氢的。
    $ b+ T* J, o7 ]! d1 @, j2 ^6 p4 F. n  D冷原子喷泉钟唯一的缺陷就是太大了,只能空间站或者大型卫星上使用。
    # P2 G# ^( p' j8 {5 A, V

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      发表于 2020-7-27 04:47
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  • TA的每日心情
    开心
    2019-12-31 23:10
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    [LV.1]炼气

    15#
    发表于 2020-7-27 11:33:16 | 只看该作者
    红茶冰 发表于 2020-7-27 03:35
    $ p2 G& N7 @  e+ e/ k你说的这个是冷原子喷泉钟吧?传统的铯基原子钟稳定性是不如铷和氢的。0 E' g3 ^3 K6 ?. l+ M: Y
    冷原子喷泉钟唯一的缺陷就是太大 ...
    + k9 \' Z5 m" A9 l0 w+ K4 }: k
    可能高端的铯钟做的更好一些吧$ n* T% {  G9 [$ E3 X; H; C  G6 F5 `. y
    从射电天文学的反馈来看,观测的时候都是用氢钟,利用其短稳; c. N7 G- z+ A- p8 E7 j
    时间基准据说用的是铯钟,利用其长稳
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  • TA的每日心情
    开心
    2019-12-31 23:10
  • 签到天数: 1 天

    [LV.1]炼气

    16#
    发表于 2020-7-27 11:34:00 | 只看该作者
    北京阿新 发表于 2020-7-27 03:01
    6 L/ }" |5 F# B7 I6 V  U安捷伦是惠普分出来的,原来的惠普电子测试和测量部
    ; k. P0 H. a( C, i% a2 G: e
    嗯,惠普 - 安捷伦 - 是德,不知道后面怎么变
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  • TA的每日心情
    开心
    2020-9-28 03:33
  • 签到天数: 17 天

    [LV.4]金丹

    17#
    发表于 2020-7-28 00:56:08 | 只看该作者
    radioradio 发表于 2020-7-27 11:33
    ; H- @4 c# l$ o, m' ~2 |, y可能高端的铯钟做的更好一些吧7 S" g% q( c6 T8 m" Z. y
    从射电天文学的反馈来看,观测的时候都是用氢钟,利用其短稳+ m1 ]8 h7 @2 C+ a  u1 I& v
    时间基准据说 ...
    ( f" E2 H$ D  Z) s
    请教一个问题,原子钟之间如何保持时间同步?
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  • TA的每日心情
    开心
    2019-4-29 10:01
  • 签到天数: 334 天

    [LV.8]合体

    18#
    发表于 2020-7-28 09:50:08 | 只看该作者
    时间基准就是用铯的9193兆谱线对的。铷是6834兆。
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  • TA的每日心情
    开心
    2019-12-31 23:10
  • 签到天数: 1 天

    [LV.1]炼气

    19#
    发表于 2020-7-28 10:29:35 | 只看该作者
    陈王奋起挥黄钺 发表于 2020-7-28 00:56
    8 d  M6 n1 `. Y. }) O6 T请教一个问题,原子钟之间如何保持时间同步?

    # p2 Q7 K* |, K+ F如果原子钟是放在一起的,可以本地直接比对,找出相互之间的差值,根据长期的数据,可以评估出各个单台原子钟的稳定性,用算法算出一个综合的时间,大家向这个综合的时间看齐调整
    5 L% ]: v  M% T( D& @
    7 }) t$ ]& {; r+ p! ?% M不在一起的原子钟,有基于卫星的、光纤的,等等方法进行比对
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  • TA的每日心情
    开心
    2020-9-28 03:33
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    [LV.4]金丹

    20#
    发表于 2020-7-28 11:41:34 | 只看该作者
    radioradio 发表于 2020-7-28 10:29
    4 J( l0 f. V2 q  l, q如果原子钟是放在一起的,可以本地直接比对,找出相互之间的差值,根据长期的数据,可以评估出各个单台原 ...

      i- S/ a+ j3 q' v像卫星上的原子钟,隔了几万公里,距离也不确定,真的好奇如何进行时间同步。
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